WO2022074879A1 - 材料試験機 - Google Patents

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岳 村上
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株式会社島津製作所
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces

Definitions

  • the present invention relates to a material testing machine.
  • a load is applied to the test piece by driving the load mechanism, the test force acting on the test piece at this time is detected by a force detector such as a load cell, and the strain generated in the test piece is detected by a displacement meter or the like. It is detected by a strain detector.
  • the drive control of the load mechanism is performed by feedback control using the output of either detector (see Patent Document 1).
  • the material test method is often determined by standards such as JIS (Japanese Industrial Standards) and ISO (International Organization for Standardization) according to the type of material and the purpose of the test.
  • JIS Z 2241 ISO6892: Metal.
  • a strain rate control method is defined in which the operating speed of the load mechanism is feedback-controlled by the strain increase rate.
  • the strain of the test piece is often measured using a contact displacement meter.
  • a non-contact displacement meter that calculates the displacement (elongation) of the gauge distance by processing the image taken by the camera is also used.
  • a non-contact displacement meter that calculates the displacement (elongation) of the gauge distance by processing the image taken by the camera.
  • the non-contact displacement meter can also measure the amount of displacement of the dimensions (width) of the test piece in the direction orthogonal to the direction in which the test force is applied.
  • the displacement amount of the width is measured based on the position information of both end edges of the test piece in the image taken by the camera (see Patent Document 2 and Patent Document 3).
  • the axis of the test piece may deviate from the center of the load due to the deviation of the axis of the jig such as the gripping tool, the deviation of the fixing jig for fixing the gripping tool, or the like. Further, during the tensile test, the test piece may move in the front-rear direction with respect to the camera of the non-contact displacement meter due to the warp of the test piece or the like.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a material testing machine capable of performing an accurate material test by strain rate control or the like based on an input from a non-contact displacement meter.
  • the present invention made to solve the above problems is It is a material testing machine that gives test force to the test piece by the load mechanism.
  • the non-contact displacement meter is provided with a camera having a telecentric lens, the measurement result does not include an apparent strain error as in the conventional case. Then, since the control device executes the control of the load mechanism based on the input of the non-contact displacement meter, the stability of the operation of the load mechanism is improved. With such a configuration, a material testing machine capable of performing an accurate material test by controlling the strain rate or the like is provided.
  • the schematic diagram of the material tester of this Example The block diagram which shows the main control system of the material tester of this Example.
  • the schematic diagram of the plate-shaped test piece 11. A block diagram illustrating a signal path for feedback control during a test.
  • the figure which shows an example of the stress-strain diagram of a metal material. Strain-time diagram when the load mechanism is strain rate controlled using the input from the conventional non-contact displacement meter. In this embodiment, the strain-time diagram when the strain rate of the load mechanism is controlled by using the input from the displacement meter.
  • FIG. 1 is a schematic view of the material testing machine 1 of this embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a main control system of the material testing machine 1.
  • FIG. 3 is a schematic view of the plate-shaped test piece 11.
  • the material testing machine 1 includes a testing machine main body 10 and a control device 30.
  • the testing machine main body 10 includes a table 18, a pair of screw rods arranged in a pair of covers 19 erected on the table 18, a crosshead 23 movable along these screw rods, and a crosshead 23.
  • the upper gripping tool 21 connected via the load cell 24, the lower gripping tool 22 connected to the table 18, and the load mechanism 50 for raising and lowering the crosshead 23 are provided.
  • Nuts to be screwed with a pair of screw rods are arranged at both ends of the crosshead 23.
  • the pair of screw rods are connected to the load mechanism 50 via a power transmission mechanism.
  • the load mechanism 50 is powered by a servomotor 51 (see FIG. 2).
  • the load mechanism 50 By driving the load mechanism 50, the pair of screw rods rotate synchronously, and the crosshead 23 moves up and down.
  • test force is applied to the test piece 11 whose both ends are gripped by the upper grip 21 and the lower grip 22.
  • the test force at this time is measured by the load cell 24.
  • the displacement generated in the test piece 11 at that time is measured by the displacement meter 40.
  • the material testing machine 1 has specifications for a tensile test in which the test target is the test piece 11 as shown in FIG.
  • the displacement meter 40 includes a camera 41 having a telecentric lens 42.
  • the camera 41 is a video camera having an image pickup element, and takes a picture of the test piece 11 at a predetermined frame rate (fps). Since the displacement meter 40 can measure the vertical displacement (elongation) and the lateral displacement (width) (see FIG. 3) of the test piece 11, it is also called a video type non-contact elongation width meter.
  • the output of the camera 41 is input to the personal computer 33. When shooting with the camera 41, the test piece 11 is illuminated by the light 43.
  • the testing machine main body 10 is provided with a main body control unit 31 that controls the operation of the load mechanism 50.
  • the main body control unit 31 is connected to the load cell 24, the load mechanism 50, and the personal computer 33.
  • the personal computer 33 is connected to an input unit 34 such as a keyboard and a display unit 35 such as a liquid crystal display device.
  • the main body control unit 31 and the personal computer 33 constitute the control device 30 of the material testing machine 1.
  • Test software for executing test control and analyzing test results is installed in the personal computer 33, and various functions are realized by executing each program of the test software.
  • the personal computer 33 includes a memory 36 in which a program is loaded and data and the like are temporarily stored when the test software is started, a communication unit 37 that transmits / receives data to / from the main body control unit 31 and the displacement meter 40 according to a predetermined communication protocol. It includes a calculation device 38 such as a CPU for executing a program, each program of test software, and a storage device 39 for storing image data, test data, and the like input from the camera 41 of the displacement meter 40.
  • the memory 36, the communication unit 37, the arithmetic unit 38, and the storage device 39 are connected to each other by an internal bus (not shown).
  • the camera 41 of the displacement meter 40 has a telecentric lens 42.
  • the telecentric lens 42 of the camera 41 is a photographing lens in which a telecentric optical system designed so that light passing through a diaphragm by a plurality of lens elements travels in parallel with an optical axis is held in a lens barrel. Since the telecentric lens has an angle of view of 0 degrees, the optical magnification does not change even if the shooting distance changes. When shooting with a camera equipped with a telecentric lens, the size does not change even if the observation target moves back and forth with respect to the observation system within the depth of field, so non-contact displacement with a conventional general-purpose lens attached. There is no apparent strain error, which is a problem for the total.
  • the telecentric lens 42 of the camera 41 has at least an effective diameter of a lens larger than the distance D1 between the marked lines 13 of the test piece 11 shown in FIG. 3 (for example, if the distance D1 is 50 mm, the effective diameter is 75 mm). I need.
  • the camera 41 is near the center of the test piece 11 so that both the marked line mark 13 for observing the vertical displacement of the test piece 11 and the marked line mark 14 for observing the lateral displacement are within the field of view V. Placed towards.
  • the arrangement of the camera 41 is adjusted so as to be within the range shown.
  • a pair of marked line marks 13 are provided in the vertical direction, and a pair of marked line marks 14 are provided in the horizontal direction.
  • the mark line mark 13 and the mark line mark 14 can be easily attached by attaching a mark line sticker printed with these marks to the surface of the test piece 11.
  • a mark line sticker a sticker in which the mark line is expressed as a binarized image, such as one in which a black mark line mark is printed on a white background and one in which a white mark line mark is printed on a black background, is used.
  • Such a mark line sticker is not affected by the ground color of the test object, and the mark line mark can be clearly discriminated on the image taken by the camera 41. Therefore, the calculation load of image processing is reduced and accurate measurement can be performed. Further, instead of attaching the marked line mark by attaching the marked line sticker, the marked line may be directly written on the test piece 11.
  • the crosshead 23 is raised by driving the load mechanism 50, and the tensile test force is given to the test piece 11.
  • the arithmetic unit 38 of the personal computer 33 executes an image processing program and a measured value calculation program on the image acquired by the camera 41.
  • the distance D1 between the marked line marks 13 and the distance D2 between the marked line marks 14 are observed over time, and the elongation (change amount of distance D1) and width displacement amount (change amount of distance D2) of the test piece 11 are observed. Is calculated sequentially. Here, it is not necessary to perform the correction calculation for out-of-plane motion as described later.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a feedback signal path during the test.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a stress-strain diagram of a metal material. The vertical axis of FIG. 5 is stress, and the horizontal axis is strain. The stress-strain diagram shown in FIG. 5 is an example of a metal material called mild steel.
  • the load mechanism 50 is controlled by feedback control using the output of the load cell 24 or the displacement meter 40.
  • the load cell 24 and the displacement meter 40 are collectively referred to as a detector.
  • a signal of an operation amount required for the servomotor 51 is sent so that the load mechanism 50 operates at the test speed of the target value F. That is, as shown in the signal path of FIG. 4, the control amount detected by the detector is converted into a signal of the measured value M and fed back, and the difference (FM) between the target value F and the measured value M is converted into the amplifier 52.
  • a control signal S multiplied by a predetermined control loop gain G is output from the amplifier 52 to the servomotor 51.
  • the control signal S is sent to the servomotor 51, but when the load mechanism is a hydraulic type including a hydraulic ram or the like, the control signal S is sent to the servo valve. Be done. Regardless of whether the load mechanism adopts an electric type or a hydraulic type, the load mechanism is controlled by the feedback control shown in FIG.
  • the stress is 1/2 of the specified yield strength (upper yield point) Y.
  • the test speed is defined in the section A after exceeding the above, the section B in which the stress does not increase and only the strain increases (yield point), and the section C thereafter. Therefore, the speed and speed control method for applying the test force to the test piece may be changed during the test depending on the type of the test piece and the measurement item.
  • the detector shown in FIG. 4 is either a load cell 24 or a displacement meter 40 according to the speed control method selected at that time.
  • test results when the tensile test is executed by the material testing machine 1 having such a configuration will be described.
  • strain rate control was performed to control the operation of the load mechanism 50 based on the strain generated in the test piece 11 sequentially obtained from the input of the non-contact displacement meter.
  • the test piece 11 of this tensile test is a high-strength steel plate.
  • the definition of high-strength steel differs depending on each manufacturer and each country, but in this specification, steel having a tensile strength of approximately 490 MPa or more is treated as high-strength steel.
  • FIG. 6 and 7 are strain-time diagrams when the load mechanism 50 is controlled at a strain rate.
  • the left side of the vertical axis of the graph shows the strain rate (strain / sec), the right side of the vertical axis shows the stress (MPa), and the horizontal axis shows the time (seconds).
  • the test was executed with the strain increase rate of 0.025% per unit second as the target value F and the allowable speed range T as plus or minus 20% of the target value F.
  • FIG. 6 shows a case where the control amount detected by a conventional non-contact displacement meter equipped with a camera having a standard lens is converted into a measured value M and feedback control is performed.
  • the measured value M is a strain obtained from the elongation of the test piece 11 (change amount of distance D1: see FIG. 3).
  • the load mechanism 50 When the load mechanism 50 is controlled based on the strain generated in the test piece 11 sequentially obtained from the input of the conventional non-contact displacement meter, the actual strain rate during the test is in the allowable speed range T as shown in FIG. Is greatly deviated.
  • the operation of the load mechanism 50 is not stable, and the stability of the feedback control system is also impaired. This is because the measured value M includes a measurement error corresponding to an apparent strain error due to the test piece 11 moving in the optical axis direction of the camera or the like.
  • the strain rate control using the displacement measurement result by the displacement meter 40 sufficiently satisfies the accuracy required by the test standard.
  • the telecentric lens corresponds to the condition that the distance D1 between the marked lines is 0 to 100 mm, more preferably the distance D1 between the marked lines is 0 to 500 mm, the elongation amount of the test piece is within 10 mm. Good strain rate control can be performed in the range of.
  • the marked line mark 13 is used to measure the elongation of the test piece 11, and a method of calculating the strain from the amount of change in the gauge length of the pair of marked lines obtained by image processing is adopted. bottom.
  • the amount of deformation of the test piece 11 is obtained by the digital image correlation method (DIC: Digital Image Correlation), and the strain is calculated.
  • DIC analysis When measuring the displacement of the test piece 11 by analysis by the digital image correlation method (hereinafter referred to as DIC analysis), a random fine pattern (also referred to as a random pattern or speckle pattern) is applied to the surface of the test piece 11. Then, images of a random pattern are acquired before and after the deformation of the test piece 11.
  • DIC analysis an analysis area called a subset is set in the image before deformation, and matching processing or the like is performed to obtain the position of the subset in the image after deformation. Thereby, the amount of displacement in the object plane (the surface of the test piece 11) can be obtained.
  • the displacement meter 40 provided with the camera 41 having the telecentric lens 42 is used, for example, observation of the test piece, which has been attempted in a stereo photographing system equipped with two cameras having a general-purpose lens.
  • the out-of-plane motion correction process as described above the timing of control of the load mechanism is delayed by the time required for the process. Therefore, for example, as shown in FIG. 6, the strain rate during the test is within the allowable speed range.
  • the material testing machine is It is a material testing machine that gives test force to the test piece by the load mechanism.
  • a control device that controls the load mechanism based on the strain generated in the test piece sequentially obtained from the input of the non-contact displacement meter during the test. To prepare for.
  • the non-contact displacement meter is provided with a camera having a telecentric lens, the measurement result does not include an apparent strain error as in the conventional case. Then, since the control device executes the control of the load mechanism based on the input of the non-contact displacement meter, the stability of the operation of the load mechanism is improved. With such a configuration, a material testing machine capable of performing an accurate material test by controlling the strain rate or the like is provided.
  • the processing of the image taken by the camera is performed.
  • the time required for the operation and the calculation load of the arithmetic unit do not increase. Therefore, it is possible to output a strain value that satisfies the requirements of the sampling conditions (for example, 20 to 50 milliseconds) of the measured value in the material test of the metal material defined by the standard such as JIS.
  • accurate strain values that are not affected by apparent strain errors can be output at short time intervals, improving the stability of feedback control of the load mechanism.
  • the control device executes DIC analysis for obtaining the amount of deformation of the test piece by a digital image correlation method for sequentially comparing images of patterns provided on the test piece, which are input from the non-contact displacement meter, and the DIC.
  • the load mechanism is controlled based on the strain obtained by the analysis.
  • the telecentric lens corresponds to a test piece having a reference point distance of 100 mm or less between the pair of marked lines.
  • good strain rate control can be performed when the elongation amount of the test piece is within the range of 10 mm.
  • the telecentric lens corresponds to a test piece having a reference point distance of 500 mm or less for the pair of marker lines.
  • good strain rate control can be performed when the elongation amount of the test piece is within the range of 10 mm.

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Abstract

非接触変位計からの入力に基づいてひずみ速度制御等による正確な材料試験を行うことが可能な材料試験機を提供する。負荷機構５０により試験片に試験力を与える材料試験機１であって、前記試験片１１を撮影するテレセントリックレンズ４２を有するカメラ４１を備えた非接触変位計４０と、試験中の非接触変位計４０の入力から逐次求めた試験片１１に生じたひずみに基づいて負荷機構５０を制御する制御装置３０と、を備える。

Description

材料試験機
　本発明は、材料試験機に関する。
　材料試験機においては、負荷機構の駆動により試験片に負荷を与え、このときに試験片に作用する試験力をロードセルなどの力検出器により検出し、試験片に生じたひずみを変位計などのひずみ検出器により検出している。そして、負荷機構の駆動制御は、いずれかの検出器の出力を用いたフィードバック制御により行われる（特許文献１参照）。
　材料試験の方法は、材料の種類や試験の目的に応じて、ＪＩＳ（日本工業規格）、ＩＳＯ（国際標準化機構）等の規格によって定められることが多く、例えば、ＪＩＳ　Ｚ　２２４１（ＩＳＯ６８９２）：金属材料引張試験方法では、負荷機構の動作速度をひずみ増加率でフィードバック制御するひずみ速度制御法が規定されている。試験片のひずみは、多くの場合、接触式変位計を用いて測定される。
　また、カメラにより撮影した画像を画像処理して標点距離の変位（伸び）を計算する非接触式変位計も用いられる。非接触式変位計で伸びを測定するときには、標線マークが形成されたシールを試験片の表面に所定の間隔で２枚貼着する。そして、引張試験の間、それら２枚のシールを含む画像をカメラにより撮影し、該画像における一対の標線マークの間の距離により伸びが測定される。
　非接触式変位計では、試験力の付与方向に直交する方向における試験片の寸法（幅）の変位量も測定することができる。この場合、カメラにより撮影された画像における試験片の両端縁の位置情報に基づいて幅の変位量が測定される（特許文献２及び特許文献３参照）。
特開２００１－０３３３６８号公報 特開２０１１－１６９７２７号公報 特開２０１２－０８８２０８号公報
　引張試験では、試験片の軸心を負荷中心に一致させて試験片の両端を上下つかみ具に把持させる必要がある。しかし、つかみ具等の治具の軸心のずれ、つかみ具等を固定する固定治具のずれ等により試験片の軸心が負荷中心とずれることがある。また、引張試験中は、試験片の反り等により、試験片が非接触変位計のカメラに対して前後方向に移動することがある。このように試験片がカメラのレンズの光軸方向に移動すると、撮影により得られた２次元画像上では、標線マークの間隔や試験片の幅の見かけの大きさが変化してしまう現象が起きる（このような見かけの大きさの変化に起因した誤差を、以下、見かけひずみ誤差と呼称する）。特に、試験片の変形が微小であるほど、測定値に含まれる見かけひずみ誤差の割合が大きくなる。このような見かけひずみ誤差を含んだ測定結果に基づいてひずみ速度制御法による材料試験を実行すると、規格を逸脱する可能性があり、また、フィードバック制御系の安定性を損なう。
　本発明が解決しようとする課題は、非接触変位計からの入力に基づいてひずみ速度制御等による正確な材料試験を行うことが可能な材料試験機を提供することである。
　上記課題を解決するために成された本発明は、
　負荷機構により試験片に試験力を与える材料試験機であって、
　前記試験片を撮影するテレセントリックレンズを有するカメラを備えた非接触変位計と、
　試験中の前記非接触変位計の入力から逐次求めた前記試験片に生じたひずみに基づいて前記負荷機構を制御する制御装置と、
　を備える。
　本発明によれば、非接触変位計にテレセントリックレンズを有するカメラを備えることから、従来のように、測定結果に見かけひずみ誤差が含まれることがない。そして、該非接触変位計の入力に基づいて制御装置は負荷機構の制御を実行することから、負荷機構の動作の安定性が向上する。このような構成により、ひずみ速度制御等による正確な材料試験を行うことが可能な材料試験機が提供される。
本実施例の材料試験機の概要図。 本実施例の材料試験機の主要な制御系を示すブロック図。 板状の試験片１１の概要図。 試験中のフィードバック制御の信号経路を説明するブロック図。 金属材料の応力－ひずみ線図の一例を示す図。 従来の非接触変位計からの入力を用いて負荷機構をひずみ速度制御したときのひずみ‐時間線図。 本実施例において変位計からの入力を用いて負荷機構をひずみ速度制御したときのひずみ‐時間線図。
　本発明に係る材料試験機の一実施例について、以下、図面を参照して説明する。図１は本実施例の材料試験機１の概要図である。図２は、材料試験機１の主要な制御系を示すブロック図である。図３は、板状の試験片１１の概要図である。
＜全体構成＞
　この材料試験機１は、試験機本体１０と制御装置３０を備える。試験機本体１０は、テーブル１８と、テーブル１８に立設された一対のカバー１９内に配置された一対のねじ棹と、これらのねじ棹に沿って移動可能なクロスヘッド２３と、クロスヘッド２３に対してロードセル２４を介して接続された上つかみ具２１と、テーブル１８に接続された下つかみ具２２と、クロスヘッド２３を昇降させるための負荷機構５０とを備える。
　クロスヘッド２３の両端部には、一対のねじ棹と螺合するナットが配設されている。一対のねじ棹は負荷機構５０と動力伝達機構を介して接続されている。負荷機構５０は、具体的には、サーボモータ５１を動力源としている（図２参照）。負荷機構５０の駆動により一対のねじ棹が同期して回転し、クロスヘッド２３が昇降する。これにより、上つかみ具２１及び下つかみ具２２にその両端を把持された試験片１１に試験力が付与される。この時の試験力はロードセル２４により測定される。また、そのときに試験片１１に生じた変位は、変位計４０により測定される。このように、この材料試験機１は、試験対象を図３に示すような試験片１１とする引張試験用の仕様となっている。
　変位計４０は、テレセントリックレンズ４２を有するカメラ４１を備える。なお、カメラ４１は、撮像素子を有するビデオカメラであり、所定のフレームレート（ｆｐｓ）で試験片１１を撮影する。この変位計４０は、試験片１１の縦変位（伸び）と横変位（幅）（図３参照）を測定可能であることから、ビデオ式非接触伸び幅計とも呼称される。カメラ４１の出力はパーソナルコンピュータ３３に入力される。カメラ４１による撮影時には、ライト４３により試験片１１を照明する。
　試験機本体１０には、負荷機構５０の動作を制御する本体制御部３１が付設されている。この本体制御部３１は、ロードセル２４、負荷機構５０、及び、パーソナルコンピュータ３３に接続されている。パーソナルコンピュータ３３は、キーボード等の入力部３４及び液晶表示装置等の表示部３５と接続されている。本体制御部３１とパーソナルコンピュータ３３は、この材料試験機１の制御装置３０を構成する。
　パーソナルコンピュータ３３には、試験制御を実行するとともに試験結果を解析するための試験ソフトウェアがインストールされており、各種の機能は、試験ソフトウェアの各プログラムの実行により実現される。パーソナルコンピュータ３３は、試験ソフトウェア起動時にプログラムがロードされデータ等が一時的にストアされるメモリ３６と、所定の通信プロトコルにより本体制御部３１及び変位計４０とデータの送受信を行う通信部３７と、プログラムを実行するためのＣＰＵなどの演算装置３８と、試験ソフトウェアの各プログラム、変位計４０のカメラ４１から入力された画像データ及び試験データ等を記憶する記憶装置３９と、を備える。メモリ３６、通信部３７、演算装置３８、記憶装置３９は、相互に内部バス（図示せず）により接続されている。
　変位計４０のカメラ４１は、テレセントリックレンズ４２を有する。カメラ４１のテレセントリックレンズ４２は、複数枚のレンズ要素により絞りを通過した光が光軸と平行に進むように設計されたテレセントリック光学系を鏡筒に保持させた撮影レンズである。テレセントリックレンズは、画角が０度のため撮影距離が変化しても光学倍率が変わらないという特性を有する。テレセントリックレンズを有するカメラで撮影すると、被写界深度内であれば観察対象が観察系に対して前後に移動してもその大きさが不変であるため、従来の汎用レンズを装着した非接触変位計で問題となる見かけひずみ誤差が生じない。なお、カメラ４１のテレセントリックレンズ４２は、少なくとも図３に示す試験片１１の標線マーク１３間の距離Ｄ１より大きいレンズの有効径（例えば、距離Ｄ１が５０ｍｍであれば、有効径は７５ｍｍ）を必要とする。カメラ４１は、試験片１１の縦方向の変位を見るための標線マーク１３と、横方向の変位を見るための標線マーク１４の両方が視野Ｖに収まるように、試験片１１の中央付近に向けて配置される。
＜動作＞
　この材料試験機１により引張試験を開始するときには、オペレータは、入力部３４を操作して、パーソナルコンピュータ３３にインストールされている試験ソフトウェアを起動する。そして、試験片１１のサイズ等を入力部３４から入力し、クロスヘッド２３を試験片１１のサイズに対応する所定の位置に移動させる。しかる後、試験片１１の両端を上つかみ具２１及び下つかみ具２２に把持させる。このとき、オペレータは、試験片１１と変位計４０との位置関係が、試験片１１の表面と、変位計４０におけるカメラ４１の撮影レンズが正対し、カメラ４１の視野Ｖが図３に破線で示す範囲となるように、カメラ４１の配置を調整する。なお、図３に示すように板状の試験片１１の表面には、縦方向に一対の標線マーク１３が設けられ、横方向に一対の標線マーク１４が設けられる。標線マーク１３及び標線マーク１４は、これらのマークを印刷した標線シールを試験片１１の表面に貼着させることにより、簡単に付設することができる。標線シールとしては、白地に黒の標線マークを印刷したもの、黒地に白の標線マークを印刷したもののように、標線を２値化画像として表現したものが使用される。このような標線シールは、試験対象の地色に影響されることがなく、カメラ４１で撮影した画像上で標線マークを明確に判別できる。このため、画像処理の計算負担が低減されるとともに正確な測定ができる。また、標線シールの貼着による標線マークの付設に代えて、試験片１１に標線を直に書き入れてもよい。
　引張試験が開始されると、負荷機構５０の駆動によりクロスヘッド２３が上昇し、試験片１１に引張試験力が与えられる。このとき、パーソナルコンピュータ３３の演算装置３８が、カメラ４１により取得された画像に対して、画像処理プログラムと測定値算出プログラムを実行する。これにより、標線マーク１３間の距離Ｄ１と標線マーク１４間の距離Ｄ２が経時的に観察され、試験片１１の伸び（距離Ｄ１の変化量）と幅変位量（距離Ｄ２の変化量）が逐次算出される。ここでは後述のような面外動に対する補正計算を行うことを要しない。
　図４は、試験中のフィードバック信号経路を説明するブロック図である。図５は、金属材料の応力－ひずみ線図の一例を示す図である。図５の縦軸は応力、横軸はひずみである。なお、図５に示す応力－ひずみ線図は、軟鋼と呼称される金属材料の例である。
　試験中に試験片１１に試験力を加える速度は、できるだけ均一であることが好ましい。このため、負荷機構５０の制御は、ロードセル２４又は変位計４０の出力を利用したフィードバック制御により行われる。なお、ロードセル２４と変位計４０をまとめて検出器と呼ぶ。試験速度の制御では、目標値Ｆの試験速度で負荷機構５０が動作するように、サーボモータ５１に必要な操作量の信号を送る。すなわち、図４の信号経路に示すように、検出器で検出した制御量を、測定値Ｍの信号に変換してフィードバックし、目標値Ｆと測定値Ｍの差分（Ｆ－Ｍ）を増幅器５２に入力し、所定の制御ループゲインＧを乗算した制御信号Ｓを、増幅器５２からサーボモータ５１に出力する。なお、この実施例では、負荷機構５０が電動式であるため制御信号Ｓはサーボモータ５１に送られるが、負荷機構が油圧ラム等から成る油圧式の場合は、制御信号Ｓはサーボバルブに送られる。負荷機構が電動式、油圧式のいずれの方式を採用する場合でも、負荷機構の制御は、図４に示したフィードバック制御により行われる。
　ＪＩＳ等の規格（ＪＩＳ　Ｚ　２２４１）では、例えば、金属材料の引張強さの測定を行う場合、図５に示すように、規定された降伏強さ（上降伏点）Ｙの１／２の応力を超えた後の区間Ａ、応力が増加せずひずみだけが増える領域（下降伏点）である区間Ｂ、その後の区間Ｃで、それぞれ試験速度が規定されている。このため、試験片に試験力を加える速度及び速度制御法を、試験片の種類及び測定項目に応じて、試験中に変更することがある。この材料試験機１では、規格に従った材料試験を実行するために、負荷機構５０の動作をひずみ増加率でフィードバック制御するひずみ速度制御法と、応力増加率でフィードバック制御する応力速度制御法とを適時に切り換えて試験を行うことが可能である。したがって、図４に示す検出器は、そのときに選択されている速度制御法により、ロードセル２４と変位計４０のいずれかとなる。
＜結果＞
　次に、このような構成の材料試験機１で引張試験を実行したときの試験結果について説明する。この引張試験では、非接触変位計の入力から逐次求めた試験片１１に生じたひずみに基づいて、負荷機構５０の動作を制御するひずみ速度制御を行った。この引張試験の試験片１１は、高張力鋼板である。高張力鋼の定義は、各メーカー及び各国により異なるが、この明細書では、引張強さがおおむね４９０ＭＰａ以上のものを高張力鋼として扱うものとする。
　図６及び図７は、負荷機構５０をひずみ速度制御したときのひずみ‐時間線図である。グラフの縦軸左はひずみ速度（ひずみ／秒）、縦軸右は応力（ＭＰａ）、横軸は時間（秒）を示す。このひずみ速度制御法による引張試験では、単位秒あたりのひずみ増加率０．０２５％を目標値Ｆとし、その許容速度範囲Ｔを目標値Ｆのプラスマイナス２０％として、試験を実行した。図６は、標準レンズを有するカメラを備えた従来の非接触変位計で検出した制御量を測定値Ｍに変換してフィードバック制御を行った場合を示す。図７は、テレセントリックレンズ４２を有するカメラ４１を備えた変位計４０で検出した制御量を測定値Ｍに変換してフィードバック制御を行った場合を示す。ここでの測定値Ｍは、試験片１１の伸び（距離Ｄ１の変化量：図３参照）から求められるひずみである。パーソナルコンピュータ３３の演算装置３８が１０ミリ秒ごとにサンプリングされた画像に対して画像処理プログラム及び測定値算出プログラムを実行することにより、リアルタイムでの試験片１１の伸び測定及びひずみ計算が実現される。１０ミリ秒というサンプリング時間は、ＪＩＳ等の規格で定められた、金属材料の材料試験における測定値のサンプリング条件（例えば、２０～５０ミリ秒）の要求を十分に満たす。また、図６及び図７のひずみ‐時間線図は、伸び測定データに対してパーソナルコンピュータ３３の演算装置３８がグラフ作成プログラムを実行することにより作成される。
　従来の非接触変位計の入力から逐次求めた試験片１１に生じたひずみに基づいて負荷機構５０を制御した場合、図６に示すように、試験中の実際のひずみ速度は、許容速度範囲Ｔを大きく逸脱している。負荷機構５０の動作が安定せず、フィードバック制御系の安定性も損なわれている。これは、試験片１１がカメラの光軸方向に動くこと等により、測定値Ｍに見かけひずみ誤差分の測定誤差が含まれるためである。
　これに対し、テレセントリックレンズ４２を有するカメラ４１を備えた変位計４０の入力から逐次求めた試験片１１に生じたひずみに基づいて負荷機構５０を制御した場合、図７に示すように、試験中のひずみ速度は、許容速度範囲Ｔを逸脱することなく、安定したフィードバック制御が実現できていることが理解できる。テレセントリックレンズ４２を有するカメラ４１の画像から伸びを測定しているため、試験片１１がカメラのレンズの光軸方向に動いても、試験片１１及び標線マーク１３の見かけの大きさは変わらず、測定値Ｍに見かけひずみ誤差分の測定誤差が含まれることがない。図７に示した結果から、この変位計４０による変位測定結果を利用したひずみ速度制御は、試験規格で要求される精度を十分に満たすと評価できる。なお、テレセントリックレンズが標線マーク間距離Ｄ１が０～１００ｍｍである条件、さらに好ましくは、標線マーク間距離Ｄ１が０～５００ｍｍである条件に対応する場合において、試験片の伸び量が１０ｍｍ以内の範囲の場合に、良好なひずみ速度制御を実行することができる。
＜変形例＞
　上述した実施例では、試験片１１の伸びの測定に、標線マーク１３を使い、画像処理により求めた一対の標線の標点距離（Gauge Length）の変化量からひずみを算出する方法を採用した。変形例では、これに代えて、デジタル画像相関法（DIC：Digital Image Correlation）により試験片１１の変形量を求め、ひずみを算出する。
　デジタル画像相関法による解析（以下、ＤＩＣ解析と呼称する）で試験片１１の変位量を測定する場合は、試験片１１の表面にランダムな細かい模様（ランダムパターン又はスペックルパターンとも呼ぶ）を塗布し、ランダムパターンの画像を試験片１１の変形の前後で取得する。ＤＩＣ解析では、サブセットと呼ばれる解析領域を変形前の画像に設定し、マッチング処理等を行って、変形後の画像におけるそのサブセットの位置を求める。これにより、物体平面（試験片１１の表面）における変位量を求めることができる。
　ＤＩＣ解析を行う場合でも、標準レンズを有するカメラを備えた従来の非接触変位計で画像を取得した場合には、画像に見かけひずみ誤差が含まれるため、その画像から算出されるひずみにも測定誤差が含まれるという問題が生じる。この実施例では、テレセントリックレンズ４２を有するカメラ４１を備えた変位計４０から入力された画像をＤＩＣ解析に用いることで、見かけひずみ誤差の問題が解消する。したがって、ＤＩＣ解析によって求められたひずみに基づいて、正確なひずみ速度制御による材料試験を行うことが可能となる。なお、画像データは記憶装置３９に保存しているので、試験終了後に、試験片１１の任意の箇所（ランダムパターンの任意の点）で事後的なひずみ計測を行うことも可能である。
　上述した実施例では、テレセントリックレンズ４２を有するカメラ４１を備えた変位計４０を利用することから、例えば、汎用レンズを有するカメラを２台備えたステレオ撮影システムで試みられていた、試験片の観察面に対する前後方向の移動（面外動）について３次元の位置情報を取得して見かけひずみ誤差を補正する処理などの余分な計算処理を追加する必要がない。このため、カメラ撮影による画像取得から測定値の出力までにかかる時間が短縮される。前述のような面外動補正処理を行うと、その処理にかかった時間分、負荷機構の制御のタイミングが遅れるため、例えば、図６に示したように、試験中のひずみ速度が許容速度範囲Ｔを大きく逸脱する場合が生ずる。しかし、この実施例では、補正処理による負荷機構の制御に遅れが生じないため、図７に示すように、試験中のひずみ速度は、許容速度範囲Ｔを逸脱することなく、常に安定したフィードバック制御が実現される。また、テレセントリックレンズは、汎用レンズと異なり収差がないため、収差補正のための計算も省略することができる。
［態様］
　上述した複数の例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
（第１項）
　本発明に係る材料試験機は、
　負荷機構により試験片に試験力を与える材料試験機であって、
　前記試験片を撮影するテレセントリックレンズを有するカメラを備えた非接触変位計と、
　試験中の前記非接触変位計の入力から逐次求めた前記試験片に生じたひずみに基づいて前記負荷機構を制御する制御装置と、
　を備える。
　第１項に記載の発明によれば、非接触変位計にテレセントリックレンズを有するカメラを備えることから、従来のように、測定結果に見かけひずみ誤差が含まれることがない。そして、該非接触変位計の入力に基づいて制御装置は負荷機構の制御を実行することから、負荷機構の動作の安定性が向上する。このような構成により、ひずみ速度制御等による正確な材料試験を行うことが可能な材料試験機が提供される。
（第２項）
　第２項に記載の発明では、第１項に記載の材料試験機において、
　前記制御装置は、前記非接触変位計から入力された画像における前記試験片に設けられた一対の標線の標点距離の変化量から算出されたひずみに基づいて、前記負荷機構を制御する。
　第２項に記載の発明によれば、試験片に一対の標線を設け、一対の標線の標点距離の変化量からひずみを算出すればよいことから、カメラで撮影された画像の処理にかかる時間及び演算装置の計算負荷が増大しない。このため、ＪＩＳ等の規格で定められた、金属材料の材料試験における測定値のサンプリング条件（例えば、２０～５０ミリ秒）の要求を満たすひずみ値の出力が可能である。従来と異なり、見かけひずみ誤差の影響がない正確なひずみ値を短い時間間隔で出力できることから負荷機構のフィードバック制御の安定性が向上する。
　（第３項）
　第３項に記載の発明では、第１項に記載の材料試験機において、
　前記制御装置は、前記非接触変位計から入力された、前記試験片に設けられたパターンの画像を逐次比較するデジタル画像相関法により前記試験片の変形量を求めるＤＩＣ解析を実行し、前記ＤＩＣ解析により求められたひずみに基づいて、前記負荷機構を制御する。
　第３項に記載の発明によれば、テレセントリックレンズを有するカメラを備えた非接触変位計から入力された画像をＤＩＣ解析に用いることで、見かけひずみ誤差の問題を解消し、正確なひずみ速度制御等による材料試験を実行することが可能となる。ランダムパターンの任意の点を測定点として選ぶことができることから、様々な形状の試験対象に利用できる。
　（第４項）
　第４項に記載の発明では、第２項に記載の材料試験機において、
　前記テレセントリックレンズが、前記一対の標線の標点距離が１００ｍｍ以下の試験片に対応するものであることが好ましい。
　第４項に記載の発明によれば、試験片の伸び量が１０ｍｍ以内の範囲の場合に、良好なひずみ速度制御を実行することができる。
　（第５項）
　第５項に記載の発明では、第２項に記載の材料試験機において、
　前記テレセントリックレンズが、前記一対の標線の標点距離が５００ｍｍ以下の試験片に対応するものであることが好ましい。
　第５項に記載の発明によれば、試験片の伸び量が１０ｍｍ以内の範囲の場合に、良好なひずみ速度制御を実行することができる。
１…材料試験機
１０…試験機本体
　１１…試験片
　１８…テーブル
　１９…カバー
　２１…上つかみ具
　２２…下つかみ具
　２３…クロスヘッド
　２４…ロードセル
３０…制御装置
　３１…本体制御部
　３３…パーソナルコンピュータ
　３４…入力部
　３５…表示部
　３６…メモリ
　３７…通信部
　３８…演算装置
　３９…記憶装置
４０…変位計
　４１…カメラ
　４２…テレセントリックレンズ
　４３…ライト
５０…負荷機構
　５１…サーボモータ
　５２…増幅器
Ｔ…許容速度範囲

Claims (5)

  1. 　負荷機構により試験片に試験力を与える材料試験機であって、
    　前記試験片を撮影するテレセントリックレンズを有するカメラを備えた非接触変位計と、
    　試験中の前記非接触変位計の入力から逐次求めた前記試験片に生じたひずみに基づいて前記負荷機構を制御する制御装置と、
    　を備える、材料試験機。
  2. 　請求項１に記載の材料試験機において、
    　前記制御装置は、前記非接触変位計から入力された画像における前記試験片に設けられた一対の標線の標点距離の変化量から算出されたひずみに基づいて、前記負荷機構を制御する、材料試験機。
  3. 　請求項１に記載の材料試験機において、
    　前記制御装置は、前記非接触変位計から入力された、前記試験片に設けられたパターンの画像を逐次比較するデジタル画像相関法により前記試験片の変形量を求めるＤＩＣ解析を実行し、前記ＤＩＣ解析により求められたひずみに基づいて、前記負荷機構を制御する、材料試験機。
  4. 　請求項２に記載の材料試験機において、
    　前記テレセントリックレンズが、前記一対の標線の標点距離が１００ｍｍ以下の試験片に対応するものである材料試験機。
  5. 　請求項２に記載の材料試験機において、
    　前記テレセントリックレンズが、前記一対の標線の標点距離が５００ｍｍ以下の試験片に対応するものである材料試験機。
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